以下,记 为根系, 为其秩,其位于欧氏空间 中,有 Weyl 群 .
graph LR;
A[基 Δ] --> B[正根 Φ⁺];
A --> C[Weyl 室 𝒞(Δ)];
B --> D[高度 ht];
C --> E[正则向量 γ];
E --> F[不可分解根 Δ(γ)];
F --> A;
G[Weyl 群 𝒲] --> H[传递作用于基];
G --> I[生成于单根反射];
I --> J[既约分解与长度];
J --> K[根翻转数 n=l];
L[不可约根系] --> M[极大根唯一];
L --> N[两种根长];
N --> O[长根与短根];
基(Base)与 Weyl 室(Weyl chamber)
基与单根
定义:基(base)与单根(simple root)
称 的一个子集 为基(base),若
- 是 的一组基(basis);
- 对任意根 , 可写为 中元素的系数全为正整数或全为负整数的线性组合:
称 中的元素为单根(simple root).
由第一条可知 ,且第二条的分解是唯一的.因此我们可定义根的高度:
若根 有上述定义中的表示,则其高度(height) 为:
在上述的表示中,如果这些系数均非负或非正,我们可以义所谓正根与负根:
定义:正根(positive root)与负根(negative root)
若在上述表示中,各 ,则称 为正根(positive root), 记作 .若各 ,称 为负根(negative root),记作 .
全体正根集记作 ,负根集记作 .
例如:若 为正根,则 为正根。由此可以定义根之间的偏序关系:
称 ,若 ;称 ,若 。
单根的一个性质是:任意两个单根的夹角是钝角。
若 有基 ,则对任意 ,都有 ,且 不为根。
证明: 否则有 。由基是线性基知 不共线,从而 为根(上一节的引理) ,这与根对单根的分解系数恒正或恒负矛盾。
基的存在性
我们用构造性的方法证明定理 1。引入一个记号:
由于有限个超平面不能覆盖全空间, 不能覆盖 。
为了更精确地说明,引入下面的定义。
定义:正则向量(regular vector) 与奇异向量(singular vector)
称 正则(regular),若 不在根对应的超平面之并 中;奇异(singuar) 向量则相反。
当 正则时,显然有 。我们的目的即是借此进行证明。
定义:可分解向量(decomposable vector)
称 可分解(decomposable), 若可找到 使得 。不可分解(indecomposable) 否则。
则我们只需证明如下的定理。
设 是正则的,记 为 的不可分解根集,则 是 的基。此外, 的任意一个基都可以如此得到。
证明: 分步骤证明。
1. 中的每一个根都可以表示为 的非负 线性表示。 否则存在 不能被这样表示。取 使 为小。由 ,故 不在 内,因此 可分解,设 。故
由于 最小,且依定义知三个内积均为正,必须有 可表为 的非负 线性表示,但这给出 可表为这类线性表示,矛盾。
2. 若 ,则 除非 。 否则 依引理是一个根。由于不可能有 , 或 中有一个在 中。对第一种情况, ,故 可分解,矛盾。对第二种情况,,故 可分解,矛盾。
3. 是线性无关集。 否则设 ,,。将 中为正的记作 ,为负的记作 ,则(记) 。因此
故 。但
这要求 ,。同理 ,。
这说明在某超平面一侧的向量集,若两两呈钝角,则整个集合必线性无关。
4. 是 的基。 由于
由第 1 步知 对 的线性分解要么为非负整数系数,要么为非正整系数。另一方面 张成 ,由第 3 步知 为线性基。综上, 为基。
5. 每一个基都可以由此获得。 对给定的 ,取一个 使
这是可能的:初等几何给出因为所有线性基诱导的“超平面正上半空间”之交非空。由根的同号整系数分解性质, 是正则的,且 ,,故二包含关系必取等。因此 包含于全体不可分解元:。再由 知取等。
由定理 2,定理 1 得证。
Weyl 室(Weyl chamber)
将空间 分为若干个区域。称
称 () 的每一个连通分支为一个 Weyl 室(Weyl chamber)。特别地,每一个正则向量 属于一个 Weyl 室,记作 。
容易看出
设 为正则向量,则
这说明:Weyl 室与基之间一一对应。
证明: 当且仅当 位于每一个 的同侧。
定义:基础 Weyl 室(fundamental Weyl chamber)
若 为 诱导的基,则记 ,称其为关于 的基础 Weyl 室(fundamental Weyl chamber)。
易知基础 Weyl 室是开凸集,且
书上给出了 的基,这太普通,我们从 Weyl 室角度给出一个 的基。
如图所示:一共 8 个根、8 个超平面(蓝线),将平面分为 8 个 Weyl 室,右上涂蓝的 Weyl 室对应于根 ,故 构成一个基。
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\draw[->] (0,0) -- (2,0) node[above] {$\alpha$};
\draw[->] (0,0)-- (2,2);
\draw[->] (0,0) -- (0,2);
\draw[->] (0,0) -- (-2,2) node[above right] {$\beta$};
\draw[->] (0,0) -- (-2,0);
\draw[->] (0,0) -- (-2,-2);
\draw[->] (0,0) -- (0,-2);
\draw[->] (0,0) -- (2,-2);
\draw[blue,dashed] (-3,-3) -- (3,3);
\draw[blue,dashed] (0,-3) -- (0,3);
\draw[blue,dashed] (-3,3) -- (3,-3);
\draw[blue,dashed] (-3,0) -- (3,0);
\fill[blue,opacity=.1] (0,0) -- (0,3) -- (3,3) -- cycle;
\end{tikzpicture}
\end{document}
有关 Weyl 群与根的一些性质
证明: 这是因为 ,且 线性可逆。
性质: Weyl 群元素将不可分解根集送到不可分解根集
设 为正则向量,,则 。
证明: 是 的一个根。另一方面,对任意 有
考虑根 ,上述定理2 的第 5 步给出这二者相等。
性质:Weyl 群元素将 Weyl 室送到 Weyl 室
设 为正则向量,,则 。
证明: 我们有
对偶根的基
设 是 的对偶根系,且 是 的基,则 是 的基。这里 。
证明: 设 正则,。则 ,且
只需证明若 ,则 在 中不可分解。否则若 ,, ,由对偶根与基的定义知 的单根分解系数是非负有理数,因此 ,这要求 ,矛盾。
设 ,且 ,则 。
证明: 对任意 ,由题知 为整数,即由对偶根内积刻画知 为整数。由于 是 的基,因此对任意 都有 为整数( 为多个 的 线性表示),因此 为整数。
单根的一系列重要引理
以下证明几个非常有用的单根的引理。
正根的单根和表示
若 是正根,但非单,则存在单根 使 为正根。
证明: 先说明 。否则定理2 证明的第 3 步的附注说明 是一个线性无关集,但这不可能,因为 已经是一个线性基了。
因此 ,,从而 是一个根。再由 , 均为正且存在 项使 (否则 ), 必然是一个正根。
对任意 ,其可写为
的形式,且
均为根。
证明: 对 归纳。
Weyl 群对正根的作用
设 为单根,则 将 以外的正根打到正根。
证明: 令 ,,这里 。显然 ,故存在 使 。
另一方面,由于 只翻转单根表示中的 项,因此 中 项也大于 。因此 中有正系数,因此其为正根。
特别地,,因为 。
设 ,则 ,。
证明: 显然。
最短简单反射乘积序列性质
设 为单根(不需不同),记 。若 是负根,则对某个 ,有
证明: 记
由于 ,,存在这样的 使 ,。因此 ,但 为正根,Weyl 群对除诱导元以外的正根的置换性质 给出 只能为 (注意单根一定是正根)。
进一步,由上一章的引理 有
因此,
设 表示为单根诱导的反射之积: ,且其长度 最小,则 。
证明: 由上一引理, 是正的:否则 的表达式就可以缩短,与最小性矛盾。因此
是负根。
Weyl 群的性质
Weyl 群的作用与生成
现在,我们将要证明 在 的根上(或等价地,Weyl 室上)有传递的置换作用,且 可由 的任一基诱导的“简单反射”生成。
设 是 的基。
- 若 正则,则存在 使得 ,。由此知 在 Weyl 室上的作用传递。
- 若 是 的另一个基,则存在 使 。由此知 在基之间的作用传递。
- 若 是任一根,则存在 使 为单根。
- 由 生成。
- 若 ,则 。由此知 在基之间的作用简单且传递。
证明: 设 是 的子群,由全体 生成。我们的目标是先对 证明 1~3,再推标出 。
1. 记 ,并取 使得 最大。若 是单根,显然 ,因此(结合上一节的第一个推论)
这要求 ,。因为 是正则的, 不为 ,否则 将与 正交,矛盾。故 。因此 落在基础 Weyl 室 中,从而 。
2. 由于 是 Weyl 室上的置换,故也是基之间的同类置换。
3. 在 2 的视角下,只需证明每个根至少属于一个基。由于与 成比例的根只有 ,超平面 与 不同,故存在 使 ,。 取 离 足够近,使
只需证 。只需证 在 上不可分解。否则,设 是分解,则 ,又由 知 ,矛盾。
4. 只需证 。显然 。 只需证每个反射 都在 中。由 3,存在 使得 ,于是
因此 。这就说明 。
5. 否则,设 固定 且 ,则 固定 的正根。另一方面,由 4,可将 写为长度最短的一系列简单反射之积:
则由单根诱导的反射之积的性质
矛盾。
诱导反射的既约简单反射乘积序列表达式
设 ,将其写为
最小的形式,则称这一乘积表达式 既约(reduced) 。
若 在基 下有如上所示的既约表达式,则记 为其长度(length)。特别地,。
注意:若表达式 既约,则表达式 () 显然也既约,否则就可以作替换了。因此若 ,则 。
的长度的另一种刻画是: 作用下变为负根的正根的数量。记
对 ,记 为 作用下变为负根的正根数量,即
证明: 对 归纳。 显然——为恒等变换。设引理对所有长度小于 的 成立。对 作既约分解为 ,记 。由前述推论得 ,再由 简单反射置换正根 知 :因为 置换除 以外的正根,且 ,我们有
因此
另一方面,,从而由归纳假设 。由上即知 。
Weyl 群对 Weyl 室闭包的保持性
下面我们更进一步考察 对 Weyl 室的简单传递作用。下面的引理说明闭包
是 作用于 的基本区域(fundamental domain): 中的任一向量恰与该集合中一点通过 共轭。(练习14)
称 集中的两个元素共轭,是指其中一个元素可被 中元素作用变为另一个。
设 ,。如果 ,则 是由保持 的一系列简单反射的乘积;特别地, 固定 。
证明: 对 归纳。 时显然。对 时,由正负翻转数引理, 将某些正根送到负根,故不能将所有单根都送到正根。不妨令 , 为单根。则
因为 这要求 ,,。再由简单反射的正根置换性并应用正负翻转数引理, ( 不再被翻转)。应用归纳假设即证。
求证: 中任一点都与 中一点通过 共轭。
证明: 对 ,取 使得 最大,这里 是全体正根之和的一半。则对任意 ,由正根之和的一半在简单反射下的像的推论,我们有
故 , 。因此 。
不可约根系
定义:不可约根系(irreducible root system)
称 不可约(irreducible),若其不可被“正交划分”:分划为二正交子集之交。换句话说, 不可表示为 ,这里二者非空且
如果可作这样的表示,称 可约(reducible)。
例如在上一章的例子中, 均为不可约的,而 可约。
本节中,我们先探讨不可约根系的一些性质,然后在下一节对不可约根系进行分类。
不可约根系的性质
不可约当且仅当 的某一根系 不能被正交划分。
证明: 先证充分性。反设 可被正交划分为 ,则 必须完全包含于二者之一,否则 可被正交划分为 与 。不妨设 ,这说明 。但 是线性基,故 ,这要求 ,矛盾。
反过来,反设 可被正交划分为 。由Weyl 群的性质定理,每个根都与单根共轭,故 ,这里 。注意到 当且仅当 (由上一章的公式及 保持 可知),且 由 生成, 的每一个根都从 中加加减减而来,故 固定 中的单根。因此 位于 中由 张成的子空间 中,且 。这导致 或 中有一个为 ,对应的基子集也为 。
设 不可约,则关于偏序关系 , 中有唯一的极大根 ,且
证明: 设 是一个极大元,显然 是正根。对分解式 ,作分划
我们先证 为空集,由此得出诸 。
若 非空,则 , (根之间成钝角)。由于 不可约,至少存在一个 使 。这要求存在 使 ,故 。由上一章引理 知 为根,这与 极大矛盾。这就说明 为空集。
因此,, 。
下设 为另一极大根。同理有 ,。从而 ,由上一章引理 知 为根,除非 。但若 为根,则 或 ,矛盾。故 ,从而极大根唯一。
设 不可约,则 在 上的作用是不可约的(即不存在更小的 不变子空间);特别地,一个根的 轨道生成 。
证明: 一个根的 轨道张成 的一个 不变子空间,因此只需证第一句话即可。
令 是一个 的 不变子空间,则其正交补 也是 不变的: 给出 ,从而 。容易验证若 ,则要么 , 要么 ,这是因为 ( 不变性)。因此 给出 ,故每一根落在二者之一。这给出了 的正交分解,由不可约性知其中之一为空。但 张成 ,由此有 。
长根与短根
根的长度有很好的结论。
若 不可约,则 中根的长度只有两种。此外,这两种不同长度的根在 下分别共轭。
证明: 若 是任意根,则 ,因为 张成 (上一个引理)。如果 ,上一章的判别法给出两个根的长度平方之比只能为 。这就证明了第一个命题:否则必出现 或 ,矛盾。
现设 有相同的长度。将 换为其 共轭可令二者不正交。由判别法,查表可知 。若为 ,将 换为 即可变为 。因此,
证毕。
称不可约根系两种根中长的根为长根(long root),短的根为短根(short root)。
最后,我们证明不可约根系中极大根是长根。
证明: 设 为任一根,只需证 。由练习14 ,存在 使 。由极大根 ,故对任意 有 。特别地,取 ,得 。